一起調速器系統引起的機組同期并網失敗事件原因分析

湖南五凌電力科技有限公司 姜 運 萬 元 潘平衡

發電廠同期并網是一項頻繁且自動化程度高的操作，同期裝置作為其控制設備，其動作正確性、可靠性尤為重要[1]。同期并列的條件是待并發電機的電壓和系統的電壓的壓差、頻差負荷設置的定值。同期裝置啟動后，自動檢測壓差、頻差，當超出并網要求范圍時，同期裝置發出指令，控制勵磁系統增減勵磁以調節待并側電壓，控制原動機功率以調節機組待并側頻率，若任何一項參數達不到要求，均會導致并網失敗[2-4]。由于勵磁系統、調速器系統涉及的控制環節較多，故并網失敗的原因較多，一般需要拷貝錄波波形綜合分析具體原因[5]。

1 事件經過

水電機組自動開機過程，勵磁系統投入，水輪機轉速大于95%時，同期系統投入，同期超時，并網不成功，同期系統告警并閉鎖。監控系統現地控制單元（LCU）記錄如下：

08:48:14勵磁系統投入

08:48:15水輪機轉速>95%

08:48:25同期屏回路失電（動作）

08:48:26同期屏回路失電（復歸）

08:48:27同期裝置就緒（動作）

08:50:25限時投發電機出口斷路器同期失敗（動作）

08:50:26同期裝置就緒（復歸）

08:50:26同期裝置報警（動作）

08:50:26期閉鎖（動作）

08:50:26同期裝置報警（復歸）

08:50:26同期閉鎖（復歸）

2 現場檢查情況

由于同期失敗后，微機同期裝置自動掉電，且無告警記錄、錄波文件，所以只能從監控系統上位機及現地控制單元（LCU）查看報警信息。上位機告警記錄：8:51:15“4號機組投804同期（開出）”，8:51:16“4號機組同期裝置就緒”，8:51:20“4號機組啟動同期（開出）”，8:53:15“4號機組限時發電機出口斷路器同期失敗”。

LCU 告警記錄：08:48:27監控報“同期裝置就緒（動作）”，08:50:25報“限時投發電機出口斷路器同期失敗（動作）”，08:50:26報“同期裝置報警（動作）”“同期閉鎖（動作）”。

3 原因查找及分析

根據告警記錄，同期裝置上電后，延時5秒監控系統開出了啟動同期的信號，微機同期裝置自檢無誤后報“同期就緒”，2分鐘后，監控報“限時投發電機出口斷路器同期失敗（動作）”。對照監控系統投同期的PLC 程序，此次投同期的流程執行正確。

同期并網允許壓差±3%，允許頻差±0.15Hz，且要求差頻并網（系統側與待并側頻率差大于±0.04 Hz）。當電壓或頻率不滿足并網要求，同期將發令至勵磁、調速器進行調節，直至同期超時（超2min）。

分析此次同期失敗原因可能有三個方面，并進行相關試驗。總結如下：

3.1 微機同期裝置發合閘令后未被執行

向微機同期裝置施加模擬電壓量，系統側AC 100V，50Hz，待并側AC 102V，50.2Hz，使其不滿足同期并網條件，達到同期超時時間后，監控系統報“同期裝置報警”“同期閉鎖”，該告警信號與9月18日上午并網失敗一致。

橫向對比5號機同期并網失敗的情況（微機同期裝置已發合閘令，同期繼電器TJJ 未正確動作），LCU 告警記錄區別很大。同期裝置就緒后30s，同期合閘后立即報：“同期合閘（動作）”“同期裝置就緒（復歸）”“同期合閘（復歸）”“同期閉鎖（動作）”，達到同期超時時間后，報“限時投發電機出口斷路器同期失敗（動作）”“同期閉鎖（復歸）”。

綜上所述，驗證了9月18日并網失敗原因為：未達到同期并網條件，微機同期裝置未發合閘令。

3.2 電壓未滿足同期并網條件

采樣有誤。9月25日晚，用繼電保護測試儀施加模擬量進行試驗。向交流采樣通道施加電壓一小時，觀察無異常，裝置無壓差越限，低電壓等告警，裝置采樣正常。排除了裝置采樣有誤導致未達到同期并網條件的情況。

實際電壓有波動。從監控系統上位機查到“4號機組同期裝置就緒”的時間為8:51:16。上位機與PMU均使用GPS 對時系統，且對時正常。查看PMU 波形（圖1、圖2），同期并網過程2分鐘內，待并側電壓（紅色）正常，波動較小，且未超過允許壓差范圍。

圖1 機端電壓與系統電壓對比（采樣時長30s）

圖2 機端電壓與系統電壓對比（采樣時長180s）

3.3 頻率未滿足同期并網條件

通過PMU 波形（圖3）查看頻率，機組頻率在轉速升至額定后2分鐘內波動較大，不滿足0.15Hz頻差要求，2分鐘后頻率趨于穩定，但是監控已將同期裝置退出。結合監控程序，從水輪機轉速>95%到“限時投發電機出口斷路器同期失敗（動作）”時間約130S，頻率穩定時間與同期超時報警正好處于臨界時段，導致同期超時退出，并網失敗。

圖3 機組轉速（SPR）、頻率（ ODF）及電網頻率

對比正常并網過程（如圖4），頻率比較穩定，頻差保持在0.15Hz 范圍內，同期裝置接收到啟動同期令后，快速同期并網，同期時間基本在30S 以內。

圖4 正常同期的頻率（ODF）波動圖

（1）波形分析

通過PMU 波形（轉速與頻率部分）可以看出，在轉速升至額定95%后，轉速進入一個相對穩定的趨勢，該趨勢時間段內待并側頻率峰值達到50.3Hz，遠大于同期裝置的允許頻差0.15Hz。頻率谷值月為49.7Hz，經過約兩分鐘后PLC 關閉同期裝置，同期超時報警閉鎖。

（2）實驗驗證

針對波形中，當機組頻率為50.3Hz 時（或機組頻率為49.7Hz），同期裝置是否能發出對應的減速（加速）脈沖，調速器是否能收到進行實驗。

對裝置加模擬電壓量，系統側加AC 100V，50Hz；待并側加AC102V，50.3Hz，待同期裝置就緒后，啟動同期，裝置頻差燈亮，不斷發出減速脈沖，同時調速器可以收到該指令。將待并側頻率降至50.15Hz 以內后，頻差燈熄滅，裝置不再發出減速脈沖，待角差為0°裝置合閘出口。

對裝置加模擬電壓量，系統側加A C10 0 V，50Hz；待并側加AC102V，49.7Hz，待同期裝置就緒后，啟動同期，裝置頻差燈亮，不斷發出加速脈沖，同時調速器可以收到該指令。將待并側頻率升至49.85Hz 以上后，頻差燈熄滅，裝置不再發出加速脈沖，待角差為0°裝置合閘出口。

實驗證明了同期裝置去調速器系統的信號回路完好，調速指令下達正確無誤。

（3）原因分析

機組頻率在轉速升至額定后，啟動同期后裝置開始調速。由于同期的過程中頻率偏離50Hz 最大有0.3Hz，且調速器空載狀態自動跟蹤50Hz 的頻率，同期裝置并網要求頻差小于0.15Hz，因此當頻率為50.3Hz 時，調速器和同期都將同時發減速令，又由于頻率的反饋需要時間，減速令的數量將持續累計，當頻率降至50Hz 時，仍有未執行的減速令，此后將持續拉低頻率，導致頻率跌至49.7Hz，此時調速器和同期裝置又將同時發加速令，將頻率拉升。因此兩個調速系統在調節過程中導致頻率在50Hz 左右持續大范圍振蕩，難以控制。同期裝置的并網方式是差頻并網，即系統側與待并側頻率差大于±0.04Hz，且為了滿足合閘角度要求，需要在頻率的波動過程中找到0°合閘角。最后，同期裝置在2分鐘內，沒有找到滿足上述條件的工況，合閘失敗。

另一方面，4號機組導葉啟動開度的第二段為18%（水頭51米），3號機組相同水頭下的啟動開度為14%，而4號機空載導葉開度大概為9%-10%，因此啟動開度較大可能會導致導葉開度減小不及時，使調速器在同期過程出現超調。

最后，此次同期時，調速器水頭與實際不符，若保持汛期低水頭，同樣啟動開度，在高水頭工況下，調速器的實際調節速率將更快，導致開機過程機組波動較大。

結論：水頭數據未及時更新，導致實際水頭比當前高，導致開機過程機組頻率波動較大，使得待并側與系統側頻差波動較大，難以達到同期條件。導葉啟動開度較大，導致機組頻率超調，未能將頻率限制在并網條件要求的區間內。

4 解決措施

水頭有變化時，及時錄入最新數據。此次同期失敗后，對水頭數據進行更新，同期并網均成功。

參照3號機，對4號機導葉啟動開度進行調整，分析啟動開度與水頭的關系。

檢查其它機組水頭及導葉啟動數據，結合最近幾次同期過程的錄波數據，判斷同期過程頻率是否波動過大，或存在超調的風險。